JP2010169522A - 静電容量型検出装置及びそれを用いた加速度・角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】静電容量型のセンサ部の容量変化を検出電圧に変換するＣＶ変換回路を備え、ＳＮ比の改善と感度の向上を図るとともに、小型化を図るようにすること。
【解決手段】センサ部を構成する変位可能な振動子を挟むようにして設けられた少なくとも一対の検出用電極を有する容量素子と、振動子の電圧を高周波電圧に変調する変調手段とを備え、容量素子の検出用電極側をＣＶ変換回路の入力部に接続する。ＣＶ変換回路は、容量素子の検出用電極に接続される演算増幅器８２を備えているとともに、振動子の電位を高周波電圧に変調する高周波電圧印加回路（クロック発生回路）８０とを備えている。
【選択図】図８

Description

本発明は、静電容量型検出装置及びそれを用いた加速度・角速度検出装置に関し、より詳細には、静電容量型のセンサ部と、そのセンサ部の容量変化を検出電圧に変換する容量・電圧（ＣＶ）変換回路とを備えた静電容量型検出装置及びそれを用いた加速度・角速度検出装置に関する。

従来からの静電容量型ＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ）を用いた加速度・角速度検出装置は、加速度及び角速度を同時に検出する信号処理回路を備え、２つの反転振動させた振動子を用いて、加速度を同相、角速度を逆相の出力として分離して検出する方式で、ＣＶ変換は振動子の電位を差動対の入力に繋いだものである。

この種の加速度・角速度検出装置は、例えば、特許文献１に開示されているように、一対の振動子を互いに直交するＸＹ軸方向に変位可能に基板上に支持するとともに、Ｘ軸方向に振動させ、各振動子のＹ軸方向の変位をコンデンサの容量変化によって検出することにより、基板に作用するＹ軸方向の加速度とＸＹ軸に直交するＺ軸回りの角速度とを同時に検出するものである。

図１は、従来の静電容量型ＭＥＭＳを用いた加速度・角速度検出装置を説明するための構成図で、上述した特許文献１の概略構成図である。

第１及び第２時分割タイミングＴ１，Ｔ２では、電圧印加回路１１により、極性が反転する第１電圧信号Ｖ１がコンデンサＣ１，Ｃ２の両端に印加されるとともに、第１電圧信号Ｖ１と同相の第２電圧信号Ｖ２がコンデンサＣ３，Ｃ４の両端に印加される。したがって、第１時分割タイミングＴ１と第２時分割タイミングＴ２とでチャージアンプ１２から出力される一組の電圧信号は、その差により、２つの振動子のＹ軸方向における反対向きの変位を互いに打ち消しあって、２つの振動子のＹ軸方向における同じ向きの変位のみを表すことになる。そして、サンプルホールド回路１４ａ，１４ｂは、第１及び第２時分割タイミングＴ１，Ｔ２にて、チャージアンプ１２からの電圧信号をそれぞれサンプルホールドする。なお、符号１３は、サンプルホールド回路１４ａ乃至１４ｄを制御するサンプリングタイミング制御回路を示している。

２つの振動子のＹ軸方向における同じ向きの変位は、基板１０に作用するＹ軸方向の加速度である。したがって、サンプルホールド回路１４ａ、１４ｂにそれぞれサンプルホールドされた各電圧信号の差は、基板１０に作用するＹ軸方向の加速度の大きさを表すことになる。そして、演算器１５が、前記サンプルホールドされた各電圧信号の差を演算して出力するので、この演算器１５から前記加速度の大きさを表す出力電圧が取り出される。

また、第３及び第４時分割タイミングでは、電圧印加回路１１により、極性が反転する第１電圧信号Ｖ１がコンデンサＣ１，Ｃ２の両端に印加されるとともに、第１電圧信号Ｖ１と逆相の第２電圧信号Ｖ２がコンデンサＣ３，Ｃ４の両端に印加される。したがって、第３時分割タイミングＴ３と第４時分割タイミングＴ４とでチャージアンプ１２から出力される一組の電圧信号は、その差により、２つの振動子のＹ軸方向における同じ向きの変位を互いに打ち消しあって、２つの振動子のＹ軸方向における反対向きの変位のみを表すことになる。そして、サンプルホールド回路１４ｃ，１４ｄは、第３及び第４時分割タイミングＴ３，Ｔ４にて、チャージアンプ１２からの電圧信号をそれぞれサンプルホールドする。

２つの振動子のＹ軸方向における反対向きの変位は、基板１０に作用するＺ軸回りの角速度である。したがって、サンプルホールド回路１４ｃ，１４ｄにそれぞれサンプルホールドされた各電圧信号の差は、基板１０に作用するＺ軸回りの角速度の大きさを表すことになる。そして、演算器１６が、前記サンプルホールドされた各電圧信号の差を演算して出力するので、この演算器１６から加速度の大きさを表す出力電圧が取り出される。

このように、単一のチャージアンプ１２のみを用いるだけで、加速度及び角速度を同時に検出できるので、加速度・角速度検出装置が簡単な構成で実現される。

図２は、図１を勘案した本発明と対比するための従来例１を示す構成図である。センサ部２１を構成する容量素子Ｃ１と容量素子Ｃ２の接続点が演算増幅器２２の非反転入力端子に接続され、反転入力端子にはＶｒｅｆが印加されている。また、非反転入力端子と出力端子間には抵抗Ｒと容量素子Ｃ_ＦＢが並列に接続されている。センサ部２１の一方の容量素子Ｃ１には、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が接続可能とされ、他方の容量素子Ｃ２にはスイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４が接続可能とされていて、スイッチング素子ＳＷ１とＳＷ３は連動して、信号Φ１がセンサ部２１の容量素子Ｃ１に供給され、また、スイッチング素子ＳＷ２とＳＷ４とは連動して、信号Φ１とは逆位相の信号Φ２がセンサ部２１の容量素子Ｃ２に供給される。つまり、信号Φ１と信号Φ２によってＶｏｕｔの極性を切り換えて変調をかける。このときのＶｏｕｔは以下のようになる。

図３は、本発明と対比するための従来例２を示す構成図である。演算増幅器３２の非反転入力端子とＧＮＤ間には容量素子Ｃｓが接続され、反転入力端子にはＶｒｅｆが印加されている。また、非反転入力端子と出力端子間には抵抗Ｒと容量素子Ｃ_ＦＢが並列に接続されている。

容量素子Ｃｓに蓄積される電荷量は、Ｑ＝Ｃｓ・Ｖｒｅｆで、加速度・角速度が加わりＣｓが変化すると、Ｑ＝（Ｃｓ＋ΔＣ）・Ｖｒｅｆとなる。Ｓ１点で電荷バランスが保たれるので、Ｃ_ＦＢに−ΔＣ・Ｖｒｅｆのチャージが誘起される。Ｃｓの変化に比例して、

の出力が得られる。

また、加速度・角速度を検出するための静電容量型のセンサ部と、スイッチトキャパシタ回路を用いてＣＶ変換率を変更できるＣＶ変換回路とを備えた加速度センサは、例えば、特許文献２に開示されている。この種の加速度センサは、コンデンサの容量を現す値を所定のＣＶ変換率で電圧に変換して出力するＣＶ変換回路内の測定対象の可変容量コンデンサに、少なくとも２個のスイッチを接続してスイッチトキャパシタ回路を構成させ、ＣＶ変換率が、スイッチトキャパシタ回路の等価抵抗値と抵抗回路の抵抗値との比に従って決定されるように構成されたものである。

特開２００４−２８８６９号公報 特開平１０−１７０５４４号公報 特開２００２−３１６４４号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載のもの、あるいは図２に示した従来例１のものは、加速度を同時に取ると、角速度のＳＮは下がるという問題がある。これは、振動子の電位が１／２ＶＤＤ（ＡＧＮＤ）基準となるため振動子の駆動力が弱く、また、サンプリングが必須でノイズが折り返すことによる。また、振動子側を差動対につなぐと１軸方向しか原理的に検出できないという問題がある。これは、２軸間でチャージが混同するためである。

つまり、従来の加速度・角速度同時測定用のＣＶ変換方式では、特許文献１、あるいは図２に示した従来例１のように、振動子の電位が、１／２・ＶＤＤとなり、駆動力が取れないという問題がある（角速度成分：コリオリ力は振動子の振幅に比例する）。振動子の電位をＶｍａｓｓとし、駆動電極の電位をＶｄｒｉｖｅ＝Ｖ_ＤＣ＋Ｖ_ＡＣ（Ｖ_ＡＣ：振動子の共振周波数（Ｆｒ）の成分）とし、駆動電極と振動子間の容量をＣ（Ｆ）とし、駆動電極と振動子間の距離をｄ（ｍ）とすると、振動子にかかる駆動力（クーロン力）の大きさは、

実効的な共振周波数（Ｆｒ）でかかる成分を取り出すと、

となる。

ＶｍａｓｓのＤＣレベルを１／２・ＶＤＤに調整した場合と、ＧＮＤにした場合で駆動力を比較すると、
（１）Ｖｍａｓｓ＝１／２・ＶＤＤの場合、Ｖ_ＤＣ＝３／４・ＶＤＤ（１／４・ＶＤＤ）、Ｖ_ＡＣ＝１／４・ＶＤＤ・ｓｉｎ（２πＦｒ・Ｔ）で駆動力は最大となり、
（２）Ｖｍａｓｓ＝ＧＮＤにすると、Ｖ_ＤＣ＝１／２・ＶＤＤ、Ｖ_ＡＣ＝１／２・ＶＤＤ・ｓｉｎ（２πＦｒ・Ｔ）で駆動力は最大となる。

比較すると、（（１／２）−（３／４））・１／４：（０−１／２）・１／２＝１：４である。振動子の電位を１／２・ＶＤＤにとった場合は、ＧＮＤ、あるいはＶＤＤにする場合と比較し、駆動力は１／４となる。

また、図３に示した従来例２のような回路では、Ｆｃ＝１／（２πＲＣ_ＦＢ）のＨＰＦ（ハイパスフィルタ）となるため、変調をかけないと加速度成分（ＤＣ成分）は取れないという問題がある。

また、特許文献２に記載のものについても、加速度のＳＮが下がるという問題がある。これは、スイッチトキャパシタ回路を等価抵抗とみなし、加速度成分に対し変調がかからない構成となっているため、演算増幅器の１／ｆノイズをそのまま取り込んでしまうためである。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、静電容量型のセンサ部と、そのセンサ部の容量変化を検出電圧に変換する容量・電圧（ＣＶ）変換回路とを備え、ＳＮ比の改善と感度の向上を図るとともに、小型化を図るようにした静電容量型検出装置及びそれを用いた加速度・角速度検出装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、静電容量型のセンサ部と、該センサ部からの容量変化を検出電圧に変換するＣＶ変換回路とを備えた静電容量型検出装置において、前記センサ部を構成する変位可能な振動子を挟むようにして設けられた少なくとも一対の検出用電極を有する容量素子と、前記振動子の電圧を高周波電圧に変調する変調手段とを備え、前記容量素子の検出用電極側を前記ＣＶ変換回路の入力部に接続することを特徴とする。（図８，図１０）

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ＣＶ変換回路が、前記容量素子の前記検出用電極に接続される演算増幅器（８２）を備えているとともに、前記振動子の電位を高周波電圧に変調する高周波電圧の印加回路（８０）とを有することを特徴とする。（図８）

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記センサ部が、基板上に支持されて互いに直交するＸＹＺ軸方向に変位可能な振動子と、該振動子をＺ軸方向に振動させる一対の駆動用電極を有する駆動部と、前記振動子を挟むように上下に設けられ、前記振動子のＸ軸方向への変位に対して容量変化を互いに逆方向へ増減させる一対の第１（Ｃｓ１，Ｃｓ６）及び第２の容量素子（Ｃｓ２，Ｃｓ７）と、前記振動子を挟むように上下に設けられ、前記振動子のＹ軸方向への変位に対して容量変化を互いに逆方向へ増減させる一対の第３（Ｃｓ３，Ｃｓ８）及び第４の容量素子（Ｃｓ４，Ｃｓ９）と、前記振動子を挟むように上下に設けられているとともに、前記駆動用電極を取り囲むように配置され、前記振動子のＺ軸方向への変位に対する容量変化を検出する一対の第５の容量素子（Ｃｓ５，Ｃｓ１０）とを備えることを特徴とする。（図７Ａ）

また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の静電容量型検出装置を用い、前記振動子に作用するＸＹＺ軸方向の加速度と、ＸＹ軸回りの角速度を検出することを特徴とする加速度・角速度検出装置である。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記ＣＶ変換回路が、ＸＹＺ軸用ＣＶ変換回路を有し、該ＸＹＺ軸用ＣＶ変換回路の各々に接続された復調回路と、該復調回路の各々に接続されたＸＹＺ軸の加速度信号を出力するローパスフィルタと、前記ＸＹＺ軸用ＣＶ変換回路の各々に直接接続されたＸＹ軸の角速度信号を出力するローパスフィルタとを備えることを特徴とする。（図１０）

また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記ＣＶ変換回路のＺ軸用ＣＶ変換回路と、前記センサ部と、前記同期検波回路に接続された発振回路とを備えることを特徴とする。（図１０）

本発明によれば、センサ部を構成する変位可能な振動子を挟むようにして設けられた少なくとも一対の検出用電極を有する容量素子と、振動子の電圧を高周波電圧に変調する変調手段とを備え、容量素子の検出用電極側をＣＶ変換回路の入力部に接続するようにしているので、容量検出式ＭＥＭＳの加速度及び角速度を別周波数の成分として検出することができる。また、振動子１個で加速度及び角速度の、それぞれ２軸以上の同時測定が可能である。

また、加速度出力が高周波に変調されるため、ＤＣに復調する回路を検出段に配置しているので、加速度に対して高いＳＮが得られる。
また、角速度出力に対しても振動子の電位が自由に選べるため駆動力が稼げ、感度が向上するという効果がある。
また、１つの振動子と回路の組み合わせで加速度と角速度が同時にそれぞれ２軸以上測定できるため検出装置の小型化が可能である。

従来の静電容量型ＭＥＭＳを用いた加速度・角速度検出装置を説明するための構成図である。 図１を勘案した本発明と対比するための従来例１を示す構成図である。 本発明と対比するための従来例２を示す構成図である。 （ａ）乃至（ｃ）は、本発明の静電容量型検出装置を説明するためのセンサ構造（センサ部）を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、図４に示したセンサ部による加速度検出の原理を説明するための図である。 （ａ），（ｂ）は、図４に示したセンサ部による角速度検出の原理を説明するための図である。 本発明の静電容量型検出装置に用いられるセンサ構造を説明するための概略図である。 本発明と比較のための従来のセンサ構造を説明するための概略図である。 本発明に係る加速度・角速度検出装置におけるＣＶ変換回路のＣＶ変換方式について説明するための回路図である。 （ａ），（ｂ）は図８における角速度成分と加速度成分の出力波形を示す図である。 図８のＣＶ変換回路を用いた加速度・角速度検出装置を説明するための構成ブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図４（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の静電容量型検出装置を説明するためのセンサ構造（センサ部）を示す図である。なお、このセンサ部は、加速度・角速度検出装置の５軸のセンサ部として用いることができる。

本発明におけるセンサ部は、振動子を挟んで１０つの静電容量素子から構成されている。すなわち、センサ部は、図４（ｂ）に示すように、Ｓｉ層５１の中央部において、Ｘ軸方向に設けられた振動子５２ａ，５２ｂと、Ｙ軸方向に設けられた振動子５３ａ，５３ｂと、Ｘ軸及びＹ軸の交差部に設けられた振動子５４と一体的に設けられ、この振動子５４が梁５５を介してＳｉ層５１に固定されている。

また、このＳｉ層５１の上面には、図４（ａ）に示すように、ガラス層４１上に検出用電極と駆動用電極が設けられている。つまり、Ｘ軸方向に設けられた振動子５２ａ，５２ｂに対向するように、Ｘ軸検出用電極４２ａ，４２ｂと、Ｙ軸方向に設けられた振動子５３ａ，５３ｂに対向するように、Ｙ軸検出用電極４３ａ，４３ｂと、Ｘ軸及びＹ軸の交差部に設けられた振動子５４に対向するように、駆動用電極４５が設けられ、この駆動用電極４５の周辺を囲むようにしてＺ軸検出用電極４４が設けられている。

また、同様に、Ｓｉ層５１の下面には、図４（ｃ）に示すように、ガラス層６１上に検出用電極と駆動用電極が設けられている。つまり、Ｘ軸方向に設けられた振動子５２ａ，５２ｂに対向するように、Ｘ軸検出用電極６２ａ，６２ｂと、Ｙ軸方向に設けられた振動子５３ａ，５３ｂに対向するように、Ｙ軸検出用電極６３ａ，６３ｂと、Ｘ軸及びＹ軸の交差部に設けられた振動子５４に対向するように、駆動用電極６５が設けられ、この駆動用電極６５の周辺を囲むようにしてＺ軸検出用電極６４が設けられている。

このような構造により、Ｘ軸検出用電極４２ａ，４２ｂとＸ軸方向に設けられた振動子５２ａ，５２ｂとにより静電容量素子Ｃ１，Ｃ２が構成され、Ｘ軸検出用電極６２ａ，６２ｂとＸ軸方向に設けられた振動子５２ａ，５２ｂとにより静電容量素子Ｃ６，Ｃ７が構成される。また、Ｙ軸検出用電極４３ａ，４３ｂとＹ軸方向に設けられた振動子５３ａ，５３ｂとにより静電容量素子Ｃ３，Ｃ４が構成され、Ｙ軸検出用電極６３ａ，６３ｂとＹ軸方向に設けられた振動子５３ａ，５３ｂとにより静電容量素子Ｃ８，Ｃ９が構成される。さらに、Ｚ軸検出用電極４４とＸ軸及びＹ軸の交差部に設けられた振動子５４とにより静電容量素子Ｃ５が構成され、Ｚ軸検出用電極６４とＸ軸及びＹ軸の交差部に設けられた振動子５４とにより静電容量素子Ｃ１０が構成される。

図５（ａ），（ｂ）は、図４（ａ）乃至（ｃ）に示したセンサ部による加速度検出の原理を説明するための図で、加速度（Ｆｘ＝ｍａ_ｘ）が振動子の質量と加速度に比例したＤＣ出力であることを示している。

図５（ａ）に示されているように、Ｘ軸方向に設けられた振動子５２ａ，５４，５２ｂが、駆動用電極４５及び６５によって駆動され、例えば、振動子５２ａ側が下方に傾き、振動子５２ｂ側が上方に傾くように振動すると、Ｘ軸検出用電極４２ａと振動子５２ａとの間が広がり、Ｘ軸検出用電極４２ｂと振動子５２ｂとの間が狭まるようになり、Ｘ軸方向の加速度Ｆｘを示すＤＣ出力（Ｖｘ）が（Ｃ１＋Ｃ７）−（Ｃ２＋Ｃ６）に比例した値となる。

また、図５（ｂ）に示されているように、Ｚ軸方向に設けられた振動子５４が、駆動用電極４５及び６５によって駆動され、例えば、振動子５４が下方に傾くように振動すると、Ｚ軸検出用電極４４と振動子５４との間が広がり、Ｚ軸検出用電極６４と振動子５４との間が狭まるようになり、Ｚ軸方向の加速度Ｆｚを示すＤＣ出力（Ｖｚ）がＣ５−Ｃ１０に比例した値となる。

図６（ａ），（ｂ）は、図４（ａ）乃至（ｃ）に示したセンサ部による角速度検出の原理を説明するための図で、角速度（Ｆｘ＝２ｍυ_ｚ・Ωｙ）がコリオリ力に同期したＡＣ出力であることを示している。なお、コリオリ力は、速度、角速度と直交する向きに発生する力である。

図６（ａ）に示されているように、Ｘ軸方向に設けられた振動子５２ａ，５４，５２ｂが、駆動用電極４５及び６５によって、そのクーロン力により振動子を共振周波数（Ｆｒ）で駆動すると、振動子は上下に振動してυ_ｚが発生する。また、図６（ｂ）に示されているように、振動子５２ａ側及び５２ｂ側が各々上下に振動すると、角速度Ｆｘを示すＡＣ出力（Ｖｘ）がＣ１−Ｃ２に比例した値になる。

図７Ａは、本発明の静電容量型検出装置に用いられるセンサ構造を説明するための概略図で、図７Ｂは、本発明と比較のための従来のセンサ構造を説明するための概略図である。なお、図７Ａには、図示していないが、振動子７１上下には、図４（ａ），（ｂ）と同様に、Ｚ軸検出用電極及び駆動用電極が設けられている。

このような構造により、Ｘ軸検出用電極７２ａ１，７２ｂ１とＸ軸方向に設けられた振動子７１とによりそれぞれ静電容量素子Ｃｓ１，Ｃｓ２が構成され、裏側のＸ軸検出用電極と振動子７１とによりそれぞれ静電容量素子Ｃｓ６，Ｃｓ７が構成される。また、Ｙ軸検出用電極７３ａ１，７３ｂ１と振動子７１とによりそれぞれ静電容量素子Ｃｓ３，Ｃｓ４が構成され、裏側のＹ軸検出用電極と振動子７１とによりそれぞれ静電容量素子Ｃｓ８，Ｃｓ９が構成される。さらに、Ｚ軸検出用電極７４と振動子７１とにより静電容量素子Ｃｓ５が構成され、裏側のＺ軸検出用電極と振動子７１とにより静電容量素子Ｃｓ１０が構成される。

これに対して、従来のセンサ部は、図７Ｂに示すように、振動子７０１上にＸ軸検出用電極７０２ａ，７０２ｂとＹ軸検出用電極７０３ａ，７０３ｂが設けられている。振動子７０１をＩＣに繋ぐと、全てのキャパシタのチャージが混同し、Ｘ軸の変化及びＹ軸の変化は区別できない。

しかしながら、図７Ａに示すように、本発明に用いるセンサ構造によれば、振動子７１の上にＸ軸検出用電極７２ａ１，７２ｂ１とＹ軸検出用電極７３ａ１，７３ｂ１が設けられており、振動子側を接地し、Ｘ軸検出用電極７２ａ１，７２ｂ１及びＹ軸検出用電極７３ａ１，７３ｂ１をそれぞれＩＣに繋いで、Ｘ軸検出用電極７２ａ１，７２ｂ１からの出力に基づいてＸ軸のＣＶ変換を行い、Ｙ軸検出用電極７３ａ１，７３ｂ１から出力に基づいてＹ軸のＣＶ変換を行ないようにしている。このように、振動子７１と対向する検出用電極７２ａ１，７２ｂ１及び７３ａ１，７３ｂ１をそれぞれＩＣと繋げば、１つの振動子で多軸の加速度及び角速度成分が検出可能となる。

つまり、本発明の加速度・角速度検出装置に用いられるセンサ部は、基板上に支持されて互いに直交するＸＹＺ軸方向に変位可能な振動子７１と、この振動子７１をＺ軸方向に振動させる一対の駆動用電極を有する駆動部と、振動子７１を挟むように上下に設けられ、振動子７１のＸ軸方向への変位に対して容量変化を互いに逆方向へ増減させる一対の第１の容量素子Ｃｓ１，Ｃｓ６及び第２の容量素子Ｃｓ２，ｃｓ７と、振動子７１を挟むように上下に設けられ、振動子７１のＹ軸方向への変位に対して容量変化を互いに逆方向へ増減させる一対の第３の容量素子Ｃｓ３，Ｃｓ８及び第４の容量素子Ｃｓ４，Ｃｓ９と、振動子７１を挟むように上下に設けられているとともに、駆動用電極を取り囲むように配置され、振動子７１のＺ軸方向への変位に対する容量変化を検出する一対の第５の容量素子Ｃｓ５，Ｃｓ１０とを備えている。

このように、本発明の加速度・角速度検出装置における静電容量型のセンサ部（後述する図１０の１０２）は、このセンサ部１０２を構成する変位可能な振動子７１を挟むようにして設けられた少なくとも一対の検出用電極７２ａ１，７２ａ２を有する容量素子Ｃｓ１，Ｃｓ６と、センサ部１０２の検出電圧に変調をかける変調部とを備え、容量素子Ｃｓ１，Ｃｓ６の検出用電極７２ａ１，７２ａ２側をＣＶ変換回路（後述する図１０の１０３）の入力部に接続するように構成されている。

Ｘ軸方向のＣＶ変換は、Ｘ軸検出用電極７２ａ１，７２ｂ１をＣＶ変換回路１０３の入力部に接続して行い、Ｙ軸方向のＣＶ変換は、Ｙ軸検出用電極７３ａ１，７３ｂ１をＣＶ変換回路１０３の入力部に接続して行われる。

このような構成により、振動子７１に作用するＸＹＺ軸方向の加速度と、ＸＹ軸回りの角速度を検出することができる。

図８は、本発明に係る加速度・角速度検出装置におけるＣＶ変換回路のＣＶ変換方式について説明するための回路図で、図２に示した従来例１におけるＣＶ変換方式との相違は、振動子の電位を回路の電源電圧によらずに調整できるようにした点である。また図３に示した従来例２におけるＣＶ変換回路との相違は、加速度を検出できるように構成した点である。

このＣＶ変換回路は、容量素子の検出用電極に接続される演算増幅器８２を備えているとともに、振動子の電位を高周波電圧に変調する高周波電圧印加回路（クロック発生回路）８０とを備えている。

センサ部８１の出力に対して振動子の電圧をクロック周波数で変調をかけた場合、演算増幅器８２の出力の差分は、
Ｖｏｕｔ１−Ｖｏｕｔ２＝（Ｃ１−Ｃ２）／Ｃ_ＦＢ・（１／２・ＶＤＤ−Ｖ_ＣＬＫ）となる。

Ｖ_ＣＬＫは振動子にかける電圧で、回路の動作電圧に制限されないためＤＣレベル、振幅とも自由に決定できる。

Ｃ１、Ｃ２の加速度による容量変化をＣ１_ｏｆｆ、Ｃ２_ｏｆｆ、コリオリ力による容量変化をＣ１_Ｆｒ、Ｃ２_Ｆｒとおくと、
加速度に対応する出力は、（Ｃ１_ｏｆｆ−Ｃ２_ｏｆｆ）／Ｃ_ＦＢ・（Ｖ_ＣＬＫ）、
角速度に対応する出力は、（Ｃ１_Ｆｒ−Ｃ２_Ｆｒ）／Ｃ_ＦＢ・（１／２・ＶＤＤ）で表され、それぞれ別周波数の成分として検出が可能である。

また、振動子の電位に変調がかかる場合においても、Ｆｒ以外の周波数成分は無視できるため、Ｖ_ＣＬＫのＤＣレベルをＧＮＤに調整することで駆動力は従来例１に対して４倍に向上させることができる。

図９は、図８における角速度成分と加速度成分の出力波形を示す図である。
図１０は、図８のＣＶ変換回路を用いた加速度・角速度検出装置を説明するための構成ブロック図である。

発振回路１０１は、センサ部１０２の駆動用電極に駆動信号を供給するとともに、同期検波回路１０７に基準信号を供給するものである。センサ部１０２は、図７Ａに示したような構成を有するものである。ＣＶ変換回路１０３は、センサ部１０２からの出力信号に基づいて容量変化を検出電圧に変換し、加速度及び角速度の信号を出力するものである。このＣＶ変換回路１０３における具体的なＣＶ変換方式及び回路図は、図８に示したとおりである。

復調回路１０４は、ＣＶ変換回路１０３からのクロック周波数に変調された加速度成分に対し、もとのＤＣの成分に復調をかけるものである。

ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃは、復調回路１０４を介してＣＶ変換回路１０３からの加速度及び角速度信号からＡＣ成分をカットオフしてそれぞれ加速度成分Ａｘ，Ａｙ，Ａｚを出力するものである。同期検波回路１０７は、ＣＶ変換回路１０３からのＡＣ信号をＤＣ信号に復調するものである。ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１０８ａ，１０８ｂは、同期検波回路１０７からのＤＣ成分に基づいて、それぞれ角速度成分Ωｙ，Ωｘを出力するものである。

つまり、ＣＶ変換回路１０３は、ＸＹＺ軸用ＣＶ変換回路を有し、このＸＹＺ軸用ＣＶ変換回路の各々に接続された復調回路１０４と、この復調回路１０４の各々に接続されたＸＹＺ軸の加速度信号を出力するローパスフィルタ１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃと、同期検波回路１０７を介してＸＹＺ軸用ＣＶ変換回路の各々に直接接続されたＸＹ軸の角速度信号を出力するローパスフィルタ１０８ａ，１０８ｂとを備えている。また、ＣＶ変換回路１０３のＺ軸用ＣＶ変換回路と、センサ部１０２と、同期検波回路１０７に接続された発振回路１０１を備えている。

このような構成により、容量検出式ＭＥＭＳの加速度及び角速度の同時検出用の信号処理が可能である。また、振動子１個で加速度及び角速度を別周波数の成分として分離することができる。

なお、上述した実施例では振動子のＤＣ電位を０Ｖとしたが、それに限定されるものではなく、ＶＤＤ、あるいは昇圧回路と併用し、さらに高いＤＣ電位に調整することも好適である。

１０ 基板
１１ 電圧印加回路
１２ チャージアンプ
１３ サンプリングタイミング制御回路
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ サンプルホールド回路
１５，１６ 演算器
２１ センサ部
２２，３２ 演算増幅器
４１ ガラス層
４２ａ，４２ｂ，６２ａ，６２ｂ Ｘ軸検出用電極
４３ａ，４３ｂ，６３ａ，６３ｂ Ｙ軸検出用電極
４４，６４ Ｚ軸検出用電極
４５，６５ 駆動用電極
５１ Ｓｉ層
５２ａ，５２ｂ，５３ａ，５３ｂ，５４ 振動子
５５ 梁
７１ 振動子
７２ａ１，７２ｂ１ Ｘ軸検出用電極
７３ａ１，７３ｂ１ Ｙ軸検出用電極
７４ Ｚ軸検出用電極
７５ 駆動用電極
８０ 高周波電圧印加回路
８１ センサ部
８２ 演算増幅器
１０１ 発振回路
１０２ センサ部
１０３ ＣＶ変換回路
１０４ 復調回路
１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
１０７ 同期検波回路（復調回路）
１０８ａ，１０８ｂ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
７０１ 振動子
７０２ａ，７０２ｂ Ｘ軸検出用電極
７０３ａ，７０３ｂ Ｙ軸検出用電極

Claims (6)

1. 静電容量型のセンサ部と、該センサ部からの容量変化を検出電圧に変換するＣＶ変換回路とを備えた静電容量型検出装置において、
   前記センサ部を構成する変位可能な振動子を挟むようにして設けられた少なくとも一対の検出用電極を有する容量素子と、
   前記振動子の電圧を高周波電圧に変調する変調手段とを備え、
   前記容量素子の検出用電極側を前記ＣＶ変換回路の入力部に接続することを特徴とする静電容量型検出装置。
2. 前記ＣＶ変換回路が、前記容量素子の前記検出用電極に接続される演算増幅器を備えているとともに、前記振動子の電位を高周波電圧に変調する高周波電圧の印加回路とを有することを特徴とする請求項１に記載の静電容量型検出装置。
3. 前記センサ部が、
   基板上に支持されて互いに直交するＸＹＺ軸方向に変位可能な振動子と、
   該振動子をＺ軸方向に振動させる一対の駆動用電極を有する駆動部と、
   前記振動子を挟むように上下に設けられ、前記振動子のＸ軸方向への変位に対して容量変化を互いに逆方向へ増減させる一対の第１及び第２の容量素子と、
   前記振動子を挟むように上下に設けられ、前記振動子のＹ軸方向への変位に対して容量変化を互いに逆方向へ増減させる一対の第３及び第４の容量素子と、
   前記振動子を挟むように上下に設けられているとともに、前記駆動用電極を取り囲むように配置され、前記振動子のＺ軸方向への変位に対する容量変化を検出する一対の第５の容量素子とを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量型検出装置。
4. 請求項１，２又は３に記載の静電容量型検出装置を用い、前記振動子に作用するＸＹＺ軸方向の加速度と、ＸＹ軸回りの角速度を検出することを特徴とする加速度・角速度検出装置。
5. 前記ＣＶ変換回路が、ＸＹＺ軸用ＣＶ変換回路を有し、該ＸＹＺ軸用ＣＶ変換回路の各々に接続された復調回路と、該復調回路の各々に接続されたＸＹＺ軸の加速度信号を出力するローパスフィルタと、前記ＸＹＺ軸用ＣＶ変換回路の各々に直接接続されたＸＹ軸の角速度信号を出力するローパスフィルタとを備えることを特徴とする請求項４に記載の加速度・角速度検出装置。
6. 前記ＣＶ変換回路のＺ軸用ＣＶ変換回路と、前記センサ部と、前記同期検波回路に接続された発振回路とを備えることを特徴とする請求項５に記載の加速度・角速度検出装置。

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